(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
水素と芳香族炭化水素とを加熱下に化学的に結合させる反応装置と、
前記化学的に結合させた水素と芳香族炭化水素とを加熱下に再び水素と芳香族炭化水素とに分解する分解装置と、
前記反応装置及び前記分解装置に加熱時の熱源として排気ガスを供給する圧縮着火式内燃機関と、
を備える動力変換システムであって、
前記圧縮着火式内燃機関は、
空気が供給される流路に設けられる第１バルブと、
酸素が供給される流路に設けられる第２バルブと、
水素が供給される流路に設けられる第３バルブと、
再循環排気ガスが供給される流路に設けられる第４バルブと、
再循環排気ガスとの熱交換によって、前記圧縮着火式内燃機関に供給される再循環排気ガスを冷却する冷却媒体の流路に設けられる第５バルブと、
を有することを特徴とする動力変換システム。
【請求項２】
請求項１に記載の動力変換システムにおいて、
水を酸素と水素に分解する水電気分解装置を備え、
前記水電気分解装置で発生させた水素は、第６バルブを設けた流路を介して前記反応装置に供給されると共に、
前記第２バルブを有する流路を介して前記圧縮着火式内燃機関に供給される前記酸素は、前記水電気分解装置で発生させた酸素であることを特徴とする動力変換システム。
【請求項３】
請求項１又は請求項２に記載の動力変換システムにおいて、
前記反応装置で水素と芳香族炭化水素とを加熱下に化学的に結合させる際に、
前記第１バルブ及び前記第３バルブを閉じて前記圧縮着火式内燃機関への空気及び水素の供給を禁止し、
前記第２バルブ及び第４バルブを開けて前記圧縮着火式内燃機関に酸素及び再循環排気ガスを供給すると共に、
前記第５バルブを閉じて冷却媒体による再循環排気ガスの冷却を禁止する制御装置を備えることを特徴とする動力変換システム。
【請求項４】
請求項３に記載の動力変換システムにおいて、
前記制御装置は、前記第２バルブが所定の開度以上で開いた際に、
前記第１バルブ及び前記第５バルブを閉じるように制御することを特徴とする動力変換システム。
【請求項５】
請求項１又は請求項２に記載の動力変換システムにおいて、
前記圧縮着火式内燃機関と前記分解装置とは、前記第３バルブが設けられる水素の前記流路を介して接続されていると共に、
化学的に結合させた水素と芳香族炭化水素とを前記分解装置で再び水素と芳香族炭化水素とに分解する際に、
前記第２バルブを閉じて前記圧縮着火式内燃機関への酸素の供給を禁止し、
前記第３バルブを開けて前記圧縮着火式内燃機関に前記分解装置からの水素を燃料の一部として供給し、
前記第１バルブ及び前記第４バルブを開けて前記圧縮着火式内燃機関に空気及び再循環排気ガスを供給すると共に、
前記第５バルブを開けて冷却媒体によって前記圧縮着火式内燃機関に供給する再循環排気ガスの冷却する制御装置を備えることを特徴とする動力変換システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧縮着火式内燃機関を熱源とした芳香族炭化水素に対する水素付加反応により自然エネルギーを備蓄する動力変換システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
有機ハイドライドは、自然エネルギーを備蓄し、電力の需給バランスを緩和するためのエネルギー貯蔵技術に利用することができる。芳香族炭化水素の水素化物である有機ハイドライドは、芳香族炭化水素の炭素−炭素間二重結合に水素が付加することより水素を脱離可能に貯蔵する。したがって、例えば、自然エネルギーから得た電力で水電気分解により水素を発生させ、この水素を有機ハイドライドとして備蓄することができる。
【０００３】
前記した芳香族炭化水素に対する水素付加反応、及び有機ハイドライドの脱水素反応は、所定の触媒の存在下に加熱されて進行する。そして、これらの反応を進行させるための熱源として、例えば、内燃機関の排熱を利用することが考えられる。中でも、圧縮着火式内燃機関であるディーゼルエンジンは、発電機等の定置型のものから、自動車、船舶等の移動型のものまで広範囲に使用されていると共に、他の内燃機関と比較して運転コストが低いという利点もある。
ところが、拡散燃焼となるディーゼルエンジンは、排気ガス中にすすやＮＯｘを含むため、昨今では低排気化の検討もなされてはいるが、そうすると装置の大型化や、システムコストの増大、熱効率の低下等の新たな問題が生じることとなる。
【０００４】
従来、排気ガス中のＮＯｘを低減するディーゼルエンジンシステムとして、ディーゼルエンジンに供給する酸素と燃料とを予め混合するための混合器と、ディーゼルエンジンに再循環するための排気ガスを貯える排気ガスタンクとを備えるものが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
このディーゼルエンジンシステムによれば、燃料を燃焼させる酸化剤ガスとして空気が用いられる一般のディーゼルエンジンと異なって酸化剤ガスに窒素を含まないので、排気ガス中にＮＯｘを含まない利点がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平０６−３３８３９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、従来のディーゼルエンジンシステム（特許文献１参照）は、再循環される排気ガスが排気ガスタンク及び混合器を介してディーゼルエンジンに供給されるために、燃料の燃焼温度が低下する。そのため、このディーゼルエンジンシステムでは、排気ガス中のすすが増大する虞がある。
【０００７】
そこで、本発明の課題は、有機ハイドライドを使用して水素の貯蔵及びその水素の利用を、低い運転コストで行うことができると共に運転の際の環境負荷を低減することができる動力変換システムを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決する本発明の動力変換システムは、水素と芳香族炭化水素とを加熱下に化学的に結合させる反応装置と、前記化学的に結合させた水素と芳香族炭化水素とを加熱下に再び水素と芳香族炭化水素とに分解する分解装置と、前記反応装置及び前記分解装置に加熱時の熱源として排気ガスを供給する圧縮着火式内燃機関と、を備える動力変換システムであって、前記圧縮着火式内燃機関は、空気が供給される流路に設けられる第１バルブと、酸素が供給される流路に設けられる第２バルブと、水素が供給される流路に設けられる第３バルブと、再循環排気ガスが供給される流路に設けられる第４バルブと、再循環排気ガスとの熱交換によって、前記圧縮着火式内燃機関に供給される再循環排気ガスを冷却する冷却媒体の流路に設けられる第５バルブと、を有することを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、有機ハイドライドを使用して水素の貯蔵及びその水素の利用を、低い運転コストで行うことができると共に運転の際の環境負荷を低減することができる動力変換システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の実施形態に係る動力変換システムの構成説明図である。
【図２】（ａ）は本発明の実施形態に係る動力変換システムの反応装置の断面図であり、（ｂ）は反応装置に内蔵する反応セルの断面図であり、（ｃ）は反応セルに内蔵する反応シートの断面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る動力変換システムの動作を説明するためのフローチャートであり、この動力変換システムが有機ハイドライドを貯蔵する際にその制御装置が実行する手順を示すフローチャートである。
【図４】本発明の実施形態に係る動力変換システムの動作を説明するためのフローチャートであり、この動力変換システムが有機ハイドライドを分解して得た水素を燃料の一部として使用する際にその制御装置が実行する手順を示すフローチャートである。
【図５】有機ハイドライドを貯蔵する動力変換システムの運転時に、エンジンのシリンダ内に酸素が供給された際のシリンダ内のガス組成比を示すグラフである。
【図６】本発明の実施形態に係る動力変換システムの燃焼領域を、従来のディーゼルエンジンの燃焼領域との比較において説明するグラフであり、有機ハイドライドを貯蔵する際の動力変換システムの運転時におけるグラフである。
【図７】有機ハイドライドを分解して得た水素を燃料の一部として利用する動力変換システムの運転時に、エンジンのシリンダ内に水素が供給された際のシリンダ内のガス組成比を示すグラフである。
【図８】本発明の実施形態に係る動力変換システムの燃焼領域を、従来のディーゼルエンジンの燃焼領域との比較において説明するグラフであり、有機ハイドライドを分解して得た水素を燃料の一部として利用する際の動力変換システムの運転時におけるグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下に、本発明の実施形態について適宜図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に示すように、本実施形態に係る動力変換システムＳは、水素と芳香族炭化水素とを加熱下に化学的に結合させて有機ハイドライドを生成する反応装置１と、化学的に結合させた水素と芳香族炭化水素、つまり有機ハイドライドを再び水素と芳香族炭化水素と分解する分解装置としての水素発生装置２と、これらの反応装置１及び水素発生装置２に加熱時の熱源として排気ガスを供給する圧縮着火式内燃機関としてのディーゼルエンジン３（以下、単に「エンジン３」という）と、を備えている。
【００１２】
また、動力変換システムＳは、さらに、水を電気分解する水電気分解装置４、水素と芳香族炭化水素との混合物から少なくとも水素を分離する分離装置５、エンジン３に供給する再循環排気ガス（ＥＧＲ（Exhaust Gas Recirculation）ガス）をエンジン冷却水と熱交換させて冷却する熱交換器６、及びこの動力変換システムＳを後記する手順に従って制御する制御装置７を備えている。
【００１３】
この動力変換システムＳは、水素を有機ハイドライドとして貯蔵し、そして有機ハイドライドから水素を取り出す際に、言い換えれば、水素を介してエネルギーを有機ハイドライドに貯蔵し、そしてそのエネルギーを回生する際に、エンジン３の排気ガスの熱を利用するものである。
【００１４】
有機ハイドライドは、芳香族炭化水素の水素化物であり、芳香族炭化水素の炭素−炭素間二重結合に水素が付加することより水素を脱離可能に貯蔵している。
この有機ハイドライドとしては、例えば、シクロヘキサン、メチルシクロヘキサン、ジメチルシクロヘキサン等の単環式水素化芳香族類、テトラリン、デカリン、メチルデカリン等の２環式水素化芳香族類、テトラデカヒドロアントラセン等の３環式水素化芳香族類等が挙げられる。そして、所定の触媒の存在下で加熱すると有機ハイドライドは、水素と有機ハイドライドの脱水素化物である前記芳香族炭化水素とに分解する。ちなみに、有機ハイドライドの脱水素化物としては、例えば、ベンゼン、トルエン、キシレン、メシチレン、ナフタレン、メチルナフタレン、アントラセン等が挙げられる。
【００１５】
有機ハイドライドについて前記メチルシクロヘキサン[Ｃ６Ｈ１１（ＣＨ３）]を例にさらに詳しく説明すると、メチルシクロヘキサンは、次式（１）に示すように、水素（Ｈ２）と芳香族炭化水素であるトルエン[Ｃ６Ｈ５（ＣＨ３）]とに分解する。
Ｃ６Ｈ１１（ＣＨ３）→Ｃ６Ｈ５（ＣＨ３）＋３Ｈ２・・・（１）
また、これとは逆に、水素（Ｈ２）とトルエン[Ｃ６Ｈ５（ＣＨ３）]との反応により、次式（２）に示すように、有機ハイドライドとしてのメチルシクロヘキサンが生成する。
Ｃ６Ｈ５（ＣＨ３）＋３Ｈ２→Ｃ６Ｈ１１（ＣＨ３）・・・（２）
つまり、反応装置１においては、所定の触媒の存在下で加熱して芳香族炭化水素に水素を付加することで有機ハイドライドを生成し、水素発生装置２においては、所定の触媒の存在下で有機ハイドライドを加熱して分解し、水素を生成する。
【００１６】
本実施形態に係る動力変換システムＳは、反応装置１を有する有機ハイドライドの貯蔵のための構造（以下、貯蔵構造ということがある）と、水素発生装置２を有する有機ハイドライドの分解を行う構造（以下、分解構造ということがある）との両方を有している。
ここでは、まず前記反応装置１を使用した有機ハイドライドの貯蔵構造（エネルギー貯蔵構造）について説明する。
【００１７】
本実施形態での有機ハイドライドの貯蔵構造は、反応装置１と、この反応装置１に対する水素供給手段として水電気分解装置４と、芳香族炭化水素（有機ハイドライドの脱水素化物）の供給手段である第３タンク１０とを備えている。
【００１８】
反応装置１は、前記したように、水素と芳香族炭化水素とを所定の触媒の存在下に加熱することで化学的に結合させて有機ハイドライドを生成するものである。
この反応装置１としては、原料である芳香族炭化水素と水素との混合物を通流させる流路が形成されると共に、この流路に臨むように触媒が配置されている。そして、本実施形態での反応装置１は、この混合物を加熱するように、後記するエンジン３の排気ガスを導入している。
次に参照する図２（ａ）は反応装置の断面図であり、図２（ｂ）は反応装置に内蔵する反応セルの断面図であり、図２（ｃ）は反応セルに内蔵する反応シートの断面図である。
【００１９】
反応装置１は、図２（ａ）に示すように、外形が円柱状を呈する複数本の反応セル３１と、これらの反応セル３１を収容した円筒状の第１ケーシング３２と、を備えている。そして、各反応セル３１内には、図１に示す第３タンク１０に貯留される脱水素化物（例えば、トルエン）がポンプＰ２及びバルブＶ９を介して供給されると共に、水電気分解装置４で発生した水素がバルブＶ６を介して供給される。
反応セル３１同士の間に形成される間隙には、エンジン３からの高温の排気ガスが通流するようになっている。
第１ケーシング３２及び後記する第２ケーシング３４は、熱伝導率が高くなるように金属製（例えば、ＳＵＳ）で形成されている。なお、第１ケーシング３２、第２ケーシング３４の形状は、円筒状に限定されず、その他に例えば、四角形筒状、多角形筒状でもよい。
【００２０】
反応セル３１は、図２（ｂ）に示すように、積層された複数枚の反応シート３３と、複数枚の反応シート３３を収容した第２ケーシング３４と、を備えている。
各反応シート３３は、図２（ｃ）に示すように、ベースとなる金属箔３５と、金属箔３５の両面にそれぞれ形成された多孔質層３６と、多孔質層３６に担持された触媒３７と、を備えている。つまり、各反応シート３３は、触媒３７が担持した多孔質層３６、金属箔３５、触媒３７が担持した多孔質層３６の順で積層した三層構造になっている。
なお、厚さ方向において隣り合う反応シート３３、３３間には、水素及び脱水素化物、並びに反応生成物である有機ハイドライドが通流可能な隙間が形成されている。
【００２１】
また、反応シート３３はシート状であるから、その熱容量が小さく、熱が反応シート３３を速やかに伝導し、触媒３７がその触媒機能を良好に発揮する温度に速やかに昇温する。これにより、水素と脱水素化物との反応による有機ハイドライドの生成率は、高くなっている。
さらに、各反応シート３３には、複数の貫通孔３３ａが形成されている。これにより、エンジン３からの排気ガスの熱が厚さ方向に良好に伝導し、また、有機ハイドライド、水素及び脱水素化物が、厚さ方向にも良好に通流するようになっている。
金属箔３５は、例えばアルミニウム箔で構成され、その厚さは５０〜２００μｍ程度とされる。ただし、金属箔３５を備えず、又は、金属箔３５に代えて、ベースとなる多孔質層を備え、反応シート３３全体を多孔質構造としてもよい。
【００２２】
多孔質層３６は、触媒３７を担持するための層であって、有機ハイドライド、水素及び脱水素化物が通流可能な複数の細孔を有している。このような多孔質層３６は、例えば、アルミナ、チタニア、シリカ、ジルコニア等を主体とする酸化物で形成することができる
触媒３７は、水素と脱水素化物とを反応させて有機ハイドライドを生成する触媒である。このような触媒３７は、例えば、白金、ニッケル、パラジウム、ロジウム、イリジウム、ルテニウム、モリブデン、レニウム、タングステン、バナジウム、オスミウム、クロム、コバルト、鉄等から選択された少なくとも１種で構成される。
なお、触媒３７は、後記する水素発生装置２においても同様のものが使用されるが、水素発生装置２での触媒３７は、有機ハイドライドを水素と脱水素化物とに分解するように機能する。
【００２３】
ちなみに、反応装置１（図１参照）を通流した排気ガスは、反応装置１に接続された所定の配管（図示省略）を通って反応装置１の外部に排出されるようになっている。
本実施形態での反応装置１の温度及び圧力は、前記したように、水素とトルエンとの反応によりメチルシクロヘキサンを生成使用することを前提に、それぞれ１５０〜２５０℃程度、０．０５〜０．３ＭＰａ程度に設定することを想定しているが、これに限定されるものではなく、使用する有機ハイドライドの種類に応じた温度及び圧力の範囲内で適宜に設定することができる。
なお、本実施形態での反応装置１は、その圧力を前記した範囲内に設定するために、反応装置１と第２タンク９とを繋ぐ配管に背圧弁を設けることができる。
【００２４】
反応装置１の加熱は、後に詳しく説明するように、エンジン３の排気ガスの熱で行う。つまり、エンジン３からバルブＶ１０を介して通流する排気ガスは、切り替えバルブＶ１２でＡ方向に流路が設定されることで反応装置１に導入されて芳香族炭化水素と水素との混合物を加熱する。ちなみに、切り替えバルブＶ１２でＢ方向に流路が切り替えられると、排気ガスは後記するように水素発生装置２を加熱することとなる。
そして、バルブＶ１０の開度が後記する制御装置７で制御されることで、反応装置１に対する排気ガスの流量が調節されて、その加熱温度が前記範囲内に設定される。
【００２５】
水電気分解装置４は、制御装置７によってその出力が制御されるポンプＰ３と、開度が制御されるバルブＶ８を介して水タンク１１に貯留された水が送り込まれると、電源１２から供給された電力によって、水を水素と酸素に分解する。そして、水電気分解装置４は、水分解で得た水素を、制御装置７によって開度が制御されるバルブＶ６（第６バルブ）を介して反応装置１に供給する。
ちなみに、水電気分解装置４で得られた酸素は、後に詳しく説明するように、エンジン３に供給されることとなる。
【００２６】
第３タンク１０は、有機ハイドライドの原料である芳香族炭化水素を貯留すると共に、制御装置７によってその出力が制御されるポンプＰ２と、開度が制御されるバルブＶ９を介して芳香族炭化水素を反応装置１に供給する。ちなみに、この芳香族炭化水素は、反応装置１の上流側で水電気分解装置４から供給される水素と合流するようになっている。
【００２７】
そして、反応装置１において、水電気分解装置４からの水素と第３タンク１０からの芳香族炭化水素との反応により生成した有機ハイドライドは、ガス状で反応装置１から送り出されると共に図示しない凝縮器で液状となって第２タンク９に貯蔵される。
【００２８】
次に、エンジン３について説明する。
本実施形態でのエンジン３は、前記したように、圧縮着火方式のディーゼルエンジンである。このエンジン３には、第１タンク８に貯留される通常の燃料、つまり、軽油、重油、灯油、バイオディーゼル燃料、ジメチルエーテル等の燃料が、制御装置７によってその出力が制御されるポンプＰ１と、開度が制御されるバルブＶ７を介して供給される。
【００２９】
有機ハイドライドの貯蔵構造を構成する際のエンジン３は、後記する有機ハイドライドの分解構造と異なって、酸化剤ガスとして酸素が使用され、空気は使用されない。この酸素は、水電気分解装置４から、制御装置７によって開度が制御されるバルブＶ２（第２バルブ）を介して供給される。つまり、エンジン３の燃焼室内には、空気中で約７８％を占めている窒素、及び酸素以外で残部を占めるその他のガスが供給されないこととなる。そして、本実施形態では、約２１％の酸素に対してその残部として再循環排気ガスがエンジン３の燃焼室内に導入される。なお、再循環排気ガスは、水蒸気と二酸化炭素が主成分となる。
【００３０】
再循環排気ガスは、エンジン３の排気ガス流路の適所で分岐した分岐管１３を介して循環するようになっている。この分岐管１３の途中には、制御装置７によって開度が制御されるバルブＶ４（第４バルブ）と、分岐管１３を通流する再循環排気ガスの温度を熱交換によって冷却する熱交換器６とが設けられている。
ちなみに、有機ハイドライドの貯蔵構造を構成する際のエンジン３では、後記の有機ハイドライドの分解構造と異なって、熱交換器６で再循環排気ガスを冷却せずに、エンジン３からの高温の排気ガスを高温のままエンジン３に戻すこととなる。
【００３１】
このようなエンジン３は、噴射された燃料が酸素及び再循環排気ガスからなる雰囲気中で圧縮によって自己着火することで燃焼する。
そして、燃焼後の排気ガスは、エンジン３から所定の排気ガス流路を介して排出される。この際、排気ガスの一部は、前記したバルブＶ１０を介して反応装置１や、後記する水素発生装置２に熱源として供給されると共に、前記したバルブＶ４（第４バルブ）を介して再循環排気ガスとして使用され、残りの排気ガスは大気中に放出されることとなる。
ちなみに、図１に示すラジエータ１４は、エンジン冷却水の循環経路１５の途中に設けられてエンジン３側から送られる高温のエンジン冷却水の熱を大気中に放散させるものである。また、有機ハイドライドの貯蔵構造を構成する際のエンジン３では、図１に示すバルブＶ１（第１バルブ）を介しての空気は後記する暖機運転時に供給され、暖機運転が完了した際には、空気は供給されない。また、バルブＶ３（第３バルブ）を介しての水素も有機ハイドライドの貯蔵構造では供給されない。
【００３２】
次に、前記水素発生装置２を使用した有機ハイドライドの分解構造（エネルギー回生構造）について説明する。
本実施形態での水素発生装置２には、原料である有機ハイドライドを通流させる流路が形成されると共に、この流路に臨むように触媒が配置されている。
本実施形態での水素発生装置２としては、前記した反応装置１（図２（ａ）から（ｃ）参照）に使用したものと同様の構造を有するものを使用することができる。ただし、各反応セル３１内には、図１に示す第２タンク９に貯留される有機ハイドライド（例えば、メチルシクロヘキサン）が、ポンプＰ４及びバルブＶ１１を介して供給される。
反応セル３１同士の間に形成される間隙には、前記した反応装置１と同様に、エンジン３からの高温の排気ガスが通流するようになっている。
【００３３】
本実施形態での水素発生装置２（図１参照）の温度及び圧力は、前記したように、メチルシクロヘキサンを水素とトルエンとに分解することを前提に、それぞれ２５０〜４５０℃程度、０．２ＭＰａ以下に設定することを想定している。
つまり、本実施形態に係る前記した反応装置１（図１参照）とこの水素発生装置２とは、同じ触媒３７（図２（ｃ）参照）を使用していたとしても、それぞれの温度及び／又は圧力を変えることで芳香族炭化水素（脱水素化物）に対する水素の添加（有機ハイドライドの生成反応）及び水素の発生（有機ハイドライドの分解反応）をそれぞれ行うことができるようになっている。
ちなみに、水素発生装置２の温度及び圧力は、前記した範囲に限定されるものではなく、使用する有機ハイドライドの種類に応じた温度及び圧力の範囲内で適宜に設定することができる。
水素発生装置２での加熱は、前記したように、エンジン３からバルブＶ１０を介して通流する排気ガスを、切り替えバルブＶ１２でＢ方向に流路を設定して水素発生装置２に導入することで行われる。
そして、バルブＶ１０の開度が後記する制御装置７で制御されることで、水素発生装置２に対する排気ガスの流量が調節されて、その加熱温度が前記範囲内に設定される。
水素発生装置２の加熱に使用された排気ガスは、水素発生装置２を通過した後に動力変換システムＳ外（例えば、大気中）に放出される。
【００３４】
なお、本実施形態では、反応装置１と水素発生装置２とを別々に備える動力変換システムＳについて説明しているが、本発明は、反応装置１と水素発生装置２との両方を兼ねる単一の反応・水素発生装置を、反応装置１と水素発生装置２との組みに代えて配置する構成とすることができる。
【００３５】
水素発生装置２に対する有機ハイドライドの供給には、前記した第２タンク９が使用される。この第２タンク９は、前記したように、有機ハイドライドを貯留すると共に、制御装置７によってその出力が制御されるポンプＰ４と、開度が制御されるバルブＶ１１を介して有機ハイドライドを水素発生装置２に供給する。
また、有機ハイドライドの分解構造は、前記したように、水素発生装置２で有機ハイドライドが分解することで生成した水素と芳香族炭化水素の混合物から、少なくとも水素を分離する分離装置５を備えている。なお、ここで「少なくとも」の意味は、混合物から水素が分離されればよいこと意味し、未分解の有機ハイドライドを微量に含むかもしれない混合物からも当該水素が分離されることをも意味している。
【００３６】
この分離装置５は、水素発生装置２から送り出された水素と芳香族炭化水素の混合物は気体であるところ、この混合物を芳香族炭化水素の沸点未満に冷却し、芳香族炭化水素を凝縮させることで気体である水素を液体の芳香族炭化水素から分離する。このような分離装置５としては、例えば、水素と芳香族炭化水素の混合物が導入されるチャンバと、このチャンバ内に設けられた冷却管とで構成されるものが挙げられる。冷却管内に通流させる冷媒としては、空気等の気体、水等の液体が挙げられる。また、分離装置５は、前記チャンバに空気と接触させる放熱フィンを形成して構成することもできる。
【００３７】
このような分離装置５で分離された芳香族炭化水素（脱水素化物）は、図示しないポンプで第３タンク１０に送られて貯留される。なお、この分離された芳香族炭化水素には、未分解の有機ハイドライドを含むことができる。
また、分離装置５で分離された水素は、バルブＶ３（第３バルブ）を介して次に説明するエンジン３の燃焼室内に導入されることで燃料の一部として使用される。
【００３８】
有機ハイドライドの分解構造を構成する際のエンジン３には、前記した通常の燃料に加えて水素が供給される。この水素は、制御装置７によって開度が制御されるバルブＶ３（第３バルブ）を介して分離装置５から供給される。
【００３９】
有機ハイドライドの分解構造を構成する際のエンジン３には、前記した有機ハイドライドの貯蔵構造のエンジン３とは異なって、酸素に代えて酸化剤ガスとして空気が使用される。この空気は、制御装置７によって開度が制御されるバルブＶ１（第１バルブ）を介してエンジン３に導入される。
【００４０】
また、エンジン３に供給される再循環排気ガスは、前記の貯蔵構造と異なって、熱交換器６でのエンジン冷却水との熱交換によって冷却される。さらに詳しく説明すると、熱交換器６には、エンジン３から送り出された冷却水の一部がラジエータ１４の下流側の循環経路から分岐した分岐流路を介して送り込まれるようになっている。この分岐流路には、制御装置７によって開度が制御されるバルブＶ５（第５バルブ）が設けられている。そして、熱交換器６を通過したエンジン冷却水は、ラジエータ１４の下流側の循環経路に再び戻されるようになっている。
【００４１】
したがって、有機ハイドライドの貯蔵構造を構成する際のエンジン３は、空気及び再循環排気ガスの雰囲気中で、通常の燃料及び水素が燃焼することとなる。なお、水素は、空気と予混合された後に燃焼室内に導入され、第１タンク８からの通常の燃料は、圧縮着火時に燃焼室内に噴射される。つまり、噴射された燃料が圧縮によって自己着火する際に、燃焼室内の水素が引火燃焼することとなる（圧縮自着火拡散燃焼）。
ちなみに、水素の供給量は、通常の燃料の供給量に対して、０〜４０％程度に設定される。また、再循環排気ガスの供給量は、エンジンへの供給ガス量に対して、０〜５０％程度に設定される。
【００４２】
そして、燃焼後の排気ガスは、エンジン３から所定の排気ガス流路を介して排出される。この際、排気ガスの一部は、前記したバルブＶ１０とバルブＶ１２とを介して水素発生装置２に熱源として供給されると共に、前記したバルブＶ４（第４バルブ）を介して再循環排気ガスとして使用され、残りの排気ガスは大気中に放出されることとなる。
【００４３】
次に、本実施形態に係る動力変換システムＳの制御装置７の実行する手順について説明しながら、動力変換システムＳの動作について説明する。
次に参照する図３は、本発明の実施形態に係る動力変換システムの動作を説明するためのフローチャートであり、この動力変換システムが有機ハイドライドを貯蔵する際にその制御装置が実行する手順を示すフローチャートである。図４は、本発明の実施形態に係る動力変換システムの動作を説明するためのフローチャートであり、この動力変換システムが有機ハイドライドを分解して得た水素を燃料の一部として使用する際にその制御装置が実行する手順を示すフローチャートである。
【００４４】
まず、この動力変換システムＳが有機ハイドライドを貯蔵する際にその制御装置７が実行する手順について説明する。
エンジン３（図１参照）が図示しないスタートスイッチで起動すると、又は後記する有機ハイドライドの分解時の運転から有機ハイドライドの貯蔵時の運転に切り替わると、図３に示すように、制御装置７（図１参照）は、反応装置１（図１参照）の暖機条件を設定する。つまり、制御装置７は、ステップＳ１００を実行して、バルブＶ１（第１バルブ）、バルブＶ４（第４バルブ）、及びバルブＶ７を開けて、エンジン３に空気、再循環排気ガス、及び燃料（前記した通常の燃料）を供給する。そして、さらにスタータモータ（図示省略）を作動することでエンジン３を駆動すると共に、バルブＶ１２をＡ方向に設定してバルブＶ１０を開くことで、エンジン３からの高温の排気ガスを反応装置１に導入する。この際、制御装置７はポンプＰ１をオンにする。
【００４５】
その結果、反応装置１の温度は、排気ガスの熱で昇温していく。この際、制御装置７は、バルブＶ２（第２バルブ）を閉じることで、エンジン３に対する酸素の供給を禁止する。また、制御装置７は、バルブＶ５（第５バルブ）を閉じることで、熱交換器６へのエンジン冷却水の供給を禁止し、エンジン３に供給される再循環排気ガスのエンジン冷却水による冷却は行わない。
【００４６】
また、制御装置７は、後記するように、有機ハイドライドを分解して得た水素をエンジン３に供給する際に使用するバルブＶ３（第３バルブ）及びバルブＶ１１を閉じると共に、ポンプＰ４をオフにする。
【００４７】
また、制御装置７は、反応装置１の暖機が完了するまでは、反応装置１に、原料としての水素及び芳香族炭化水素が供給されるのを禁止するように、バルブＶ６（第６バルブ）、バルブＶ８、及びバルブＶ９を閉じると共に、ポンプＰ３、及びポンプＰ２をオフにする。この反応装置１の暖機を完了させるタイミングは、次に説明するように、反応装置１が所定の温度に達したときに設定することができる。
【００４８】
制御装置７は、前記の「反応装置１が所定の温度に到達したか否か」を、例えば、前記１５０〜２５０℃程度の範囲内で予め定めた温度に達したか否かで判断する。この判断は、反応装置１に設けた図示しない温度センサからの出力信号に基づいて行う。つまり、ステップＳ１１０では、反応装置１の暖機は完了したか否かについて判断することとなる。そして、反応装置１の暖機が完了していないと判断した場合（ステップＳ１１０のＮｏ）には、ステップＳ１００に戻る。
【００４９】
また、反応装置１の暖機が完了したと判断した場合（ステップＳ１１０のＹｅＳ）には、制御装置７は、水電気分解装置４（図１参照）の起動条件を設定する（ステップＳ１２０）。つまり、制御装置７は、水タンク１１（図１参照）の水が水電気分解装置４に供給されるように、バルブＶ８を開けてポンプＰ３をオンにすると共に、電源１２をオンにして水電気分解装置４に電力を供給する。その結果、水電気分解装置４は、水を電気分解することで水素及び酸素を発生させる。
【００５０】
次に、制御装置７は、有機ハイドライドの貯蔵条件を設定する（ステップＳ１３０）。
つまり、開けられていたバルブＶ１（第１バルブ）を閉じると共に、閉じられていたバルブＶ２（第２バルブ）を開けることで、エンジン３には、空気に代えて、水電気分解装置４からの酸素が供給される。
【００５１】
この際、制御装置７は、バルブＶ２（第２バルブ）が所定の開度以上で開いた際に、バルブＶ１（第１バルブ）を閉じるように制御すると共に、前記バルブＶ５（第５バルブ）を閉じるように制御する。つまり、エンジン３に所定の流量以上で酸素が供給されると、エンジン３への空気の供給を禁止すると共に再循環排気ガスが高温のままエンジン３に供給するようになっている。このことで、エンジン３は、後記するように、燃料の燃焼温度を高くすることですすの発生を防止することができる共に、空気中に含まれる窒素が燃料の高温燃焼時に介在しないのでＮＯｘの発生を低減することができる。
【００５２】
また、閉じられていたバルブＶ６（第６バルブ）が開けられて、水電気分解装置４からの水素が反応装置１に供給される。そして、閉じられていたバルブＶ９が開けられ、ポンプＰ２をオンにすることで、第３タンク１０（図１参照）に貯留されている芳香族炭化水素（脱水素化物）が反応装置１に供給される。
その結果、反応装置１では、水素と芳香族炭化水素との反応によって有機ハイドライドが生成し、この生成した有機ハイドライドは第２タンク９（図１参照）に貯蔵されることとなる（ステップＳ１４０）。
なお、この有機ハイドライドを貯蔵する際のエンジン３の燃焼領域については後に詳しく説明する。
【００５３】
次に、この動力変換システムＳが有機ハイドライドを分解して得た水素を燃料の一部として使用する分解構造の際にその制御装置７が実行する手順について説明する。
エンジン３（図１参照）が図示しないスタートスイッチで起動すると、又は前記した有機ハイドライドの貯蔵時の運転から有機ハイドライドの分解時の運転に切り替わると、図４に示すように、制御装置７（図１参照）は、水素発生装置２（図１参照）の暖機条件を設定する（ステップＳ２００）。つまり、制御装置７は、バルブＶ１（第１バルブ）、バルブＶ４（第４バルブ）、及びバルブＶ７を開けて、エンジン３に空気、再循環排気ガス、及び燃料（前記した通常の燃料）を供給する。そして、さらにスタータモータ（図示省略）を作動することでエンジン３を駆動すると共に、バルブＶ１２をＢ方向に設定してバルブＶ１０を開くことで、エンジン３からの高温の排気ガスを水素発生装置２に導入する。この際、制御装置７はポンプＰ１をオンにする。
【００５４】
その結果、水素発生装置２の温度は、排気ガスの熱で昇温していく。この際、制御装置７は、バルブＶ２（第２バルブ）を閉じることで、エンジン３に対する酸素の供給を禁止する。また、制御装置７は、バルブＶ５（第５バルブ）を閉じることで、熱交換器６へのエンジン冷却水の供給を禁止する。
【００５５】
また、制御装置７は、水素発生装置２の暖機が完了するまでは、水素発生装置２に、原料としての有機ハイドライドが供給されるのを禁止するように、バルブＶ１１を閉じると共にポンプＰ４をオフにする。
また、制御装置７は、前記した反応装置１に、原料の水素及び芳香族炭化水素が供給されないように、バルブＶ６（第６バルブ）、バルブＶ８、及びバルブＶ９を閉じると共に、ポンプＰ２及びポンプＰ３をオフにする。
【００５６】
次に、制御装置７は、水素発生装置２が所定の温度（例えば、前記２５０〜４５０℃程度の範囲内で予め定めた温度）に到達したか否かを、水素発生装置２に設けた図示しない温度センサからの出力信号に基づいて判断する。つまり、水素発生装置２の暖機は完了したか否かを判断する（ステップＳ２１０）。そして、水素発生装置２の暖機が完了していないと判断した場合（ステップＳ２１０のＮｏ）には、ステップＳ２００に戻る。
【００５７】
また、水素発生装置２の暖機が完了したと判断した場合（ステップＳ２１０のＹｅｓ）には、制御装置７は、有機ハイドライドから水素を発生させる条件を設定する（ステップＳ２２０）。つまり、制御装置７は、閉じられていたバルブＶ１１を開くと共に、ポンプＰ４をオンにする。
その結果、第３タンク１０に貯留されている有機ハイドライドが水素発生装置２に供給されると共に、有機ハイドライドは水素発生装置２で水素と芳香族炭化水素に分解される。そして、分離装置５に送り込まれたこの混合物は、前記したように、分離装置５で水素と芳香族炭化水素に分離されると共に、芳香族炭化水素（脱水素化物）は、第３タンク１０に送り込まれて貯留される。
【００５８】
次に、制御装置７は、エンジン３に対する水素供給条件を設定する（ステップＳ２３０）。つまり、制御装置７は、閉じられていたバルブＶ３（第３バルブ）を開けることで、分離装置５で分離された水素を燃料の一部としてエンジン３に供給する。
また、制御装置７は、閉じられていたバルブＶ５（第５バルブ）を開けることで、エンジン冷却水を熱交換器６に導いて、冷却された再循環排気ガスをエンジン３に供給する。そして、このようなエンジン３に対する水素供給条件が設定されると、この有機ハイドライドの分解時で制御装置７の実行する手順は終了する。
【００５９】
次に、本実施形態に係る動力変換システムＳの作用効果について説明する。
次に参照する図５は、有機ハイドライドを貯蔵する動力変換システムの運転時に、エンジンのシリンダ内に酸素が供給された際のシリンダ内のガス組成比を示すグラフである。図６は、本発明の実施形態に係る動力変換システムの燃焼領域を、従来のディーゼルエンジンの燃焼領域との比較において説明するグラフであり、有機ハイドライドを貯蔵する際の動力変換システムの運転時におけるグラフである。図７は、有機ハイドライドを分解して得た水素を燃料の一部として利用する動力変換システムの運転時に、エンジンのシリンダ内に水素が供給された際のシリンダ内のガス組成比を示すグラフである。図８は、本発明の実施形態に係る動力変換システムの燃焼領域を、従来のディーゼルエンジンの燃焼領域との比較において説明するグラフであり、有機ハイドライドを分解して得た水素を燃料の一部として利用する際の動力変換システムの運転時におけるグラフである。なお、図６及び図８のグラフの縦軸は、当量比を表し、横軸は燃焼温度[Ｋ]を表している。
【００６０】
図５に示すように、従来のディーゼルエンジンでは、酸化剤ガスとして空気を使用するので、エンジン３のシリンダ体積内での比率は燃料と空気の比となる。これに対して、本実施形態に係る動力変換システムＳ（図５中、「本発明」と記す）のエンジン３では、前記した有機ハイドライドの貯蔵時において、空気は供給されずに、酸素と再循環排気ガス（高温のＥＧＲガス）が供給されることとなる。つまり、エンジン３のシリンダ内には窒素が存在しないので、燃料が高温燃焼となったとしてもＮＯｘが排出されない燃焼が可能となる。
その一方で、エンジン３は、従来の窒素供給量に応じた酸素を供給しなければ、エンジン３のピストンの吸気行程時のポンピングロスが増加し熱効率が低下する課題がある。これに対し、窒素の代わりに高温の再循環排気ガス（ＥＧＲガス）を供給する本実施形態でのエンジン３は、ピストンの吸気行程時のポンピングロス増加を抑制することができる。
【００６１】
また、図６に示すように、従来のディーゼルエンジンにおける燃焼領域（図６中、「従来燃焼」と記す）では、すすとＮＯｘとを同時に排出する。これに対して本実施形態でのエンジン３は、前記したように、空気を供給せずに、酸素と高温の再循環排気ガスを供給することで、従来燃焼領域を高温側へシフトし、すすの発生領域を回避することが可能となる。
【００６２】
また、従来燃焼から燃焼領域１にシフトするように燃焼温度が上がると、燃焼領域１は、ＮＯｘ排出領域に重なるが、本実施形態でのエンジン３では、前記したように、有機ハイドライドの貯蔵時において、酸化剤ガスとして空気を供給しないので、ＮＯｘが排出されない。つまり、本実施形態でのエンジン３は、すすとＮＯｘの両方を低減することができる。
【００６３】
なお、低温のＥＧＲをエンジン内に供給すると図６に示すように従来の燃焼領域に対し、燃焼温度が低温化し、すすが排出が増加してしまう。このようなことからエネルギー貯蔵時のシステムでは高温ＥＧＲを供給する。これにより、ＮＯｘ、すすを生成しない燃焼が実現できる。
【００６４】
また、本実施形態に係るエンジン３では、従来燃焼に対して、シリンダ内に供給酸素量を増加することも可能となり、最大トルクが向上し、機械損失割合が低下すること、及び等容度が向上することで熱効率の向上も可能となる。
【００６５】
また、図７に示すように、有機ハイドライドの分解時、つまりエンジン３の水素供給時においては、エンジン３に水素と従来の燃料とが供給され、空気と共に低温の再循環排気ガスが供給される。
そして、図８に示すように、エンジン３は、水素と燃料の混合燃焼（水素混合燃焼）により、燃料と、空気及び再循環排気ガス（ＥＧＲガス）との混合気が均一化することで、すす生成領域を回避することができる。
【００６６】
その一方で、燃焼温度が高くなることでＮＯｘが増大するところ、本実施形態でのエンジン３では、熱交換器６で冷却した低温再循環排気ガス（低温ＥＧＲ）を供給するので、図８に示す低温ＥＧＲ水素混合燃焼の領域が示すように、ＮＯｘ排出領域も回避することができる。つまり、有機ハイドライドの分解時におけるエンジン３の運転においても、すすとＮＯｘとの両方を低減することができる。
【００６７】
以上のような本実施形態に係る動力変換システムＳによれば、有機ハイドライドを使用して水素の貯蔵及びその水素の利用を（エネルギー貯蔵及びエネルギー回生を）、低い運転コストで行うことができると共に、すすとＮＯｘとの両方を低減して低環境負荷を実現することができる。
【００６８】
なお、本発明は、前記実施形態に限定されることなく、様々な形態で実施される。
前記実施形態では、バルブＶ２（第２バルブ）を介してエンジン３（圧縮着火式内燃機関）に供給される酸素が、水電気分解装置４で発生させた酸素であるが、本発明での「バルブＶ２を介してエンジン３に供給される酸素」としては、これに限定されるものではなく、窒素を含まない酸素富化ガスであってもよい。この酸素富化ガスとしては、酸素の含有量が９２容量％以上のものが望ましく、より望ましくは９５容量％以上、最も望ましくは９９容量％以上のものである。なお、酸素富化ガスにおける酸素以外の成分としては、窒素以外の不活性ガス、水蒸気等が挙げられる。
【符号の説明】
【００６９】
１      反応装置
２      水素発生装置（分解装置）
３      ディーゼルエンジン
４      水電気分解装置
５      分離装置
６      熱交換器
７      制御装置
８      第１タンク
９      第２タンク
１０    第３タンク
１１    水タンク
１２    電源
１３    分岐管
１４    ラジエータ
Ｖ１    バルブ（第１バルブ）
Ｖ２    バルブ（第２バルブ）
Ｖ３    バルブ（第３バルブ）
Ｖ４    バルブ（第４バルブ）
Ｖ５    バルブ（第５バルブ）
Ｖ６    バルブ（第６バルブ）
Ｖ７    バルブ
Ｖ８    バルブ
Ｖ９    バルブ
Ｖ１０  バルブ
Ｖ１１  バルブ
Ｖ１２  バルブ
Ｐ１    ポンプ
Ｐ２    ポンプ
Ｐ３    ポンプ
Ｐ４    ポンプ
Ｓ      動力変換システム
【図１】
0005480862.tif 000002
【図２】
0005480862.tif 000003
【図３】
0005480862.tif 000004
【図４】
0005480862.tif 000005
【図５】
0005480862.tif 000006
【図６】
0005480862.tif 000007
【図７】
0005480862.tif 000008
【図８】
0005480862.tif 000009